JP2021148692A - 熱式流量計および流量補正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正する。【解決手段】熱式流量計は、計測対象の流体中に配置された基板100の表面に周囲温度センサ103とヒータ素子104と温度センサ105,106とが形成されたセンサチップ1と、ヒータ素子104の温度が周囲温度センサ103によって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるようにヒータ素子104を発熱させる制御部3と、温度センサ106によって検出された温度と温度センサ105によって検出された温度との差を流体の流量の値Fsに変換する流量導出部5と、ヒータ素子104の消費電力を測定する電力測定部4と、ヒータ素子104の消費電力を流体の流量の値Fhに変換する流量導出部6と、流量FsとFhの比に基づいて流量Fsを補正する流量補正部7とを備える。【選択図】 図1
Description
本発明は、流体の流量を計測する熱式流量計に関するものである。
流体が流れる配管中にセンサチップを配置した構造の熱式流量計が従来より知られている(特許文献1参照)。このような熱式流量計では、センサチップが流体に晒されているので、流体の種類によってセンサ特性(抵抗温度係数)が変わってしまい、流量計測に誤差が発生してしまう場合がある。特に流体が水素ガスの場合には、センサ特性が変動する割合が大きいことが知られている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正することができる熱式流量計および流量補正方法を提供することを目的とする。
本発明の熱式流量計は、計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第1、第2の温度センサとが形成されたセンサチップと、前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させるように構成された制御部と、前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第1の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第2の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第1の値に変換するように構成された第1の流量導出部と、前記ヒータ素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第2の値に変換するように構成された第2の流量導出部と、前記第1の値と前記第2の値との比に基づいて前記第1の値を補正するように構成された流量補正部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の1構成例において、前記流量補正部は、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、前記第1の値Fsに加える補正値ΔFを、ΔF=Fs×(1−Fs/Fh)/2により算出することを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の1構成例は、前記第1の値と前記第2の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力するように構成された警報出力部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の1構成例において、前記警報出力部は、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、1−Fs/Fhの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力することを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の1構成例は、前記第1の値と前記第2の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力するように構成された警報出力部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の1構成例において、前記警報出力部は、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、1−Fs/Fhの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力することを特徴とするものである。
また、本発明は、計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第1、第2の温度センサとが形成されたセンサチップを用いる熱式流量計の流量補正方法において、前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させる第1のステップと、前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第1の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第2の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第1の値に変換する第2のステップと、前記ヒータ素子の消費電力を測定する第3のステップと、前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第2の値に変換する第4のステップと、前記第1の値と前記第2の値との比に基づいて前記第1の値を補正する第5のステップとを含むことを特徴とするものである。
本発明によれば、第1の流量導出部と第2の流量導出部と流量補正部とを設けることにより、センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正することができる。
また、本発明では、警報出力部を設けることにより、センサ異常と推定されるときに警報を発することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。熱式流量計は、計測対象の流体中に配置されるセンサチップ1と、センサチップ1の周囲温度センサ103によって検出された流体の温度Toを取得する温度取得部2aと、センサチップ1の温度センサ105によって検出された温度Tuを取得する温度取得部2bと、センサチップ1のヒータ素子104によって検出された温度Thを取得する温度取得部2cと、センサチップ1の温度センサ106によって検出された温度Tdを取得する温度取得部2dと、温度差(Th−To)が一定値になるようにヒータ素子104に電力を供給して発熱させる制御部3と、ヒータ素子104の消費電力を測定する電力測定部4と、温度差(Th−To)を流体の流量の値Fs(第1の値)に変換する流量導出部5と、ヒータ素子104の消費電力を流体の流量の値Fh(第2の値)に変換する流量導出部6と、流量Fsと流量Fhとの比に基づいて流量Fsを補正する流量補正部7と、流量Fsと流量Fhとの比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力する警報出力部8とを備えている。
図2はセンサチップ1の概略構成を示す斜視図、図3はセンサチップ1の断面図である。センサチップ1のシリコン基板100は、平面視正方形のチップ状に形成され、上面中央部に多数の開口部107を有するダイアフラム101が形成されている。ダイアフラム101の下方は、異方性エッチングによって空間102が形成されており、開口部107を介して流体の流通を可能にしている。
シリコン基板100の表面のダイアフラム101の周辺には、白金等の金属薄膜からなる周囲温度センサ103が周知の薄膜成形技術によって形成されている。ダイアフラム101の表面には、白金等の金属薄膜からなるヒータ素子104と、ヒータ素子104の上流側に配置された白金等の金属薄膜からなる温度センサ105と、ヒータ素子104の下流側に配置された白金等の金属薄膜からなる温度センサ106とが周知の薄膜成形技術によって形成されている。
センサチップ1は、配管(不図示)内を流れる流体中に配置されるように例えばガラス製またはセラミック製等の熱絶縁性の台座108によって支持されている。このような台座108を用いることでセンサチップ1を外部から熱的に遮断することができる。以上のセンサチップ1の構成は特許文献1に開示されている。
次に、本実施例の熱式流量計の動作について説明する。図4は、温度取得部2a,2cと制御部3の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部2aは流体の温度Toを取得し、温度取得部2cはヒータ素子104の温度Thを取得する(図4ステップS100)。具体的には、温度取得部2a,2cは、それぞれ周囲温度センサ103、ヒータ素子104の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度To,Thを取得する。
温度取得部2aは流体の温度Toを取得し、温度取得部2cはヒータ素子104の温度Thを取得する(図4ステップS100)。具体的には、温度取得部2a,2cは、それぞれ周囲温度センサ103、ヒータ素子104の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度To,Thを取得する。
制御部3は、ヒータ素子104の温度Thから流体の温度Toを減算した温度差(Th−To)が一定値(制御の目標値であり、例えば60〜80℃)になるように操作量を算出する(図4ステップS101)。操作量を算出する制御演算アルゴリズムとしては、例えばPIDがある。そして、制御部3は、算出した操作量に応じた電力をヒータ素子104に供給して発熱させる(図4ステップS102)。
こうして、熱式流量計の動作が終了するまで(図4ステップS103においてYES)、ステップS100〜S102の処理が制御周期毎に実行され、ヒータ素子104の温度Thが流体の温度Toよりも一定の値だけ高くなるように制御される。
流体が静止している場合、ヒータ素子104で加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、温度センサ105および温度センサ106の温度は等しくなり、温度センサ105および温度センサ106の電気抵抗は等しくなる。
一方、流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ素子104で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。したがって、温度センサ105の温度よりも、温度センサ106の温度が高くなる。温度センサ106によって検出される温度Tdと温度センサ105によって検出される温度Tuとの差は、流体の流速と相関関係がある。したがって、温度差(Td−Tu)から流速を推定することができる。温度センサ105と温度センサ106の間隔は、大流量に対応する熱式流量計の場合で100μm、小流量に対応する熱式流量計の場合で200μmである。
温度センサ106によって検出される温度Tdと温度センサ105によって検出される温度Tuとの差ΔTは次式のようになる。
ΔT=Td−Tu=aV/(bα+V) ・・・(1)
a=C(Th−To) ・・・(2)
b=(1/LU1+1/LU2) ・・・(3)
α=λ/ρCp ・・・(4)
ΔT=Td−Tu=aV/(bα+V) ・・・(1)
a=C(Th−To) ・・・(2)
b=(1/LU1+1/LU2) ・・・(3)
α=λ/ρCp ・・・(4)
式(1)〜式(4)において、Vは流速、Cは放熱係数、LU1は温度センサ105と流体間の熱伝達率、LU2は温度センサ106と流体間の熱伝達率、αは熱拡散率、λは流体の熱伝導率、ρは流体の密度、Cpは定圧比熱である。
図5は温度取得部2b,2dと電力測定部4と流量導出部5,6と流量補正部7と警報出力部8の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部2bは温度センサ105によって検出される温度Tuを取得し、温度取得部2dは温度センサ106によって検出される温度Thを取得する(図5ステップS200)。具体的には、温度取得部2b,2dは、それぞれ温度センサ105,106の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度Tu,Tdを取得する。
温度取得部2bは温度センサ105によって検出される温度Tuを取得し、温度取得部2dは温度センサ106によって検出される温度Thを取得する(図5ステップS200)。具体的には、温度取得部2b,2dは、それぞれ温度センサ105,106の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度Tu,Tdを取得する。
流量導出部5は、温度センサ106と温度センサ105間の温度差(Td−Tu)を、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、計測対象の流体の流量Fsを導出する(図4ステップS201)。温度差(Td−Tu)を流量Fsに変換するための流量変換式の代わりに、温度差(Td−Tu)に対応する流量Fsの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部5は、温度差(Td−Tu)に対応する流量Fsの値を流量変換テーブルから取得すればよい。
一方、電力測定部4は、ヒータ素子104の消費電力Pを測定する(図5ステップS202)。電力測定部4は、例えば制御部3からヒータ素子104に印加される電圧Vhとヒータ素子104の抵抗値Rhとに基づいて次式によりヒータ素子104の消費電力Pを算出する。
Q=Vh2/Rh ・・・(5)
Q=Vh2/Rh ・・・(5)
こうして、ヒータ素子104の温度Thを流体の温度Toより一定の値だけ高くするために必要な消費電力Pを求めることができる。
流量導出部6は、電力測定部4によって測定された消費電力Pを、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、計測対象の流体の流量Fhを導出する(図5ステップS203)。なお、消費電力Pを流量Fhに変換するための流量変換式の代わりに、消費電力Pに対応する流量Fhの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部6は、消費電力Pに対応する流量Fhの値を流量変換テーブルから取得すればよい。
流体によるセンサ特性(抵抗温度係数)は、周囲温度センサ103、ヒータ素子104、温度センサ105,106でほぼ同一と考えることができる。このとき、温度センサ106と温度センサ105間の温度差(Td−Tu)に対する流量Fsの変化の向きと、ヒータ素子104の消費電力Pに対する流量Fhの変化の向きは反対となる。すなわち、温度センサ106と温度センサ105間の温度差(Td−Tu)が大きくなると流量Fsが減少するのに対し、ヒータ素子104の消費電力Pが大きくなると流量Fhが増加する。流量Fsと流量Fhの比Fs/Fhは、センサ特性が変動していなければ1である。
したがって、流量Fsの補正値ΔFを以下のように算出することができる。
ΔF=Fs×(1−Fs/Fh)/2 ・・・(6)
ΔF=Fs×(1−Fs/Fh)/2 ・・・(6)
流量補正部7は、式(6)により補正値ΔFを算出し、式(7)により流量Fsを補正する(図5ステップS204)。
Fs’=Fs+ΔF ・・・(7)
Fs’=Fs+ΔF ・・・(7)
警報出力部8は、1−Fs/Fhの絶対値|1−Fs/Fh|が所定の閾値以上となった場合(図5ステップS205においてYES)、センサ異常を示す警報を出力する(図5ステップS206)。
警報出力の方法としては、例えば異常検出メッセージの表示、LEDの点灯、センサ異常を示す情報の上位機器への送信などがある。
警報出力の方法としては、例えば異常検出メッセージの表示、LEDの点灯、センサ異常を示す情報の上位機器への送信などがある。
温度取得部2b,2dと電力測定部4と流量導出部5,6と流量補正部7と警報出力部8とは、熱式流量計の動作が終了するまで(図5ステップS207においてYES)、ステップS200〜S206の処理を一定時間毎に実行する。
こうして、本実施例では、センサ特性(抵抗温度係数)の変動による流量計測値の変動を補正することができ、補正された流量計測値Fs’を得ることができる。
また、本実施例では、センサ異常と推定されるときに警報を発することができる。
また、本実施例では、センサ異常と推定されるときに警報を発することができる。
本実施例の熱式流量計のうち少なくとも制御部3と流量導出部5,6と流量補正部7と警報出力部8とは、CPU(Central Processing Unit)と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図6に示す。
コンピュータは、CPU200と、記憶装置201と、インタフェース装置(I/F)202とを備えている。I/F202には、温度取得部2a,2b,2c,2dと制御部3の出力回路と電力測定部4と警報出力部8の出力回路などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量計測方法を実現させるためのプログラムは記憶装置201に格納される。CPU200は、記憶装置201に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、熱式流量計に適用することができる。
1…センサチップ、2a〜2d…温度取得部、3…制御部、4…電力測定部、5,6…流量導出部、7…流量補正部、8…警報出力部、100…シリコン基板、101…ダイアフラム、103…周囲温度センサ、104…ヒータ素子、105,106…温度センサ。
Claims (8)
- 計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第1、第2の温度センサとが形成されたセンサチップと、
前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させるように構成された制御部と、
前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第1の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第2の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第1の値に変換するように構成された第1の流量導出部と、
前記ヒータ素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、
前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第2の値に変換するように構成された第2の流量導出部と、
前記第1の値と前記第2の値との比に基づいて前記第1の値を補正するように構成された流量補正部とを備えることを特徴とする熱式流量計。 - 請求項1記載の熱式流量計において、
前記流量補正部は、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、前記第1の値Fsに加える補正値ΔFを、ΔF=Fs×(1−Fs/Fh)/2により算出することを特徴とする熱式流量計。 - 請求項1または2記載の熱式流量計において、
前記第1の値と前記第2の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力するように構成された警報出力部をさらに備えることを特徴とする熱式流量計。 - 請求項3記載の熱式流量計において、
前記警報出力部は、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、1−Fs/Fhの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力することを特徴とする熱式流量計。 - 計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第1、第2の温度センサとが形成されたセンサチップを用いる熱式流量計の流量補正方法において、
前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させる第1のステップと、
前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第1の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第2の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第1の値に変換する第2のステップと、
前記ヒータ素子の消費電力を測定する第3のステップと、
前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第2の値に変換する第4のステップと、
前記第1の値と前記第2の値との比に基づいて前記第1の値を補正する第5のステップとを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。 - 請求項5記載の熱式流量計の流量補正方法において、
前記第5のステップは、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、前記第1の値Fsに加える補正値ΔFを、ΔF=Fs×(1−Fs/Fh)/2により算出するステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。 - 請求項5または6記載の熱式流量計の流量補正方法において、
前記第1の値と前記第2の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力する第6のステップをさらに含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。 - 請求項7記載の熱式流量計の流量補正方法において、
前記第6のステップは、前記第1の値をFs、前記第2の値をFhとしたとき、1−Fs/Fhの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力するステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
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